流固耦合是什么意思

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一、流固耦合是什么意思

流固耦合的數(shù)值求解方法在過去數(shù)十年間取得了長足的發(fā)展，并已經成為研究領域最熱門的主題之一。耦合求解過程的核心是計算帶有移動邊界和移動網格的非定常流動問題，這是因為流動域的大小和形狀隨著結構的移動或變形在不斷變化著。同時，正由于耦合系統(tǒng)中混合了線性和非線性問題，存在了對稱和非對稱矩陣，包括了顯性和隱性的耦合機理，并且出現(xiàn)了物理不穩(wěn)定條件，使得耦合問題求解十分困難。根據(jù)不同的耦合邊界處理方法，流固耦合求解方法主要分為兩類：浸入邊界法(Immersed Boundary Method)和動邊界法(Moving Boundary Method)。

流固耦合問題的研究歷史可追溯到19世紀初，人們對于流固耦合現(xiàn)象的早期認識源于機翼及葉片的氣動彈性問題。氣動彈性是研究氣動力對固體的作用以及固體對流場的反作用的一門科學，核心內容就是氣流激振問題。彈性體的葉片在氣動力作用下形成氣彈耦合的振動，當葉片在振動位移過程中，從氣流中吸收的能量大于阻尼功時，振動加劇，顫振發(fā)作，也就是通常所說的失速顫振。葉片顫振涉及氣動力特性和葉片固體動力特性，葉片顫振的發(fā)生與其工作狀態(tài)有關。失速顫振發(fā)生時，大幅的劇烈振動會使葉片在短時間內裂斷，后果極為嚴重。此外，流固耦合問題還在很多工程技術領域得到了研究，例如渦輪機械設計、海岸海洋工程、高層建筑工程、流體管路輸送以及人體動脈流動等‘”，而這些工程領域的共同特點就是流體載荷對彈性結構的影響十分重要。

流固耦合作用是自然界客觀存在的一種特殊現(xiàn)象，是指流體與固體之間的相互作用。流固耦合現(xiàn)象在自然界隨處可見，在臺風中劇烈彎曲的棕櫚樹就是一個流固耦合現(xiàn)象的例子，臺風的劇烈載荷作用在棕櫚樹上使得樹發(fā)生了明顯搖擺，同時彎曲變形的棕櫚樹也在改變它周圍的氣流流動情況。在一般情況下，棕櫚樹的耦合變形對流動的影響不是決定性的，并不會給耦合系統(tǒng)帶來嚴重的后果。然而，當耦合效應下作用在結構上的流體載荷力與結構的固有頻率非常接近的時候，流體和固體組成的耦合系統(tǒng)就會發(fā)生共振，產生災難性后果。最典型的例子莫過于1940年11月發(fā)生在美國華盛頓州塔科馬海峽的吊橋(Tacoma—NarrowsBridge)崩塌事故。從技術角度分析，大橋與風場組成了耦合系統(tǒng)，耦合狀態(tài)下風流場產生了一定頻率的特殊卡門渦脫落現(xiàn)象，而這個頻率與耦合系統(tǒng)中的結構固有頻率相近，因此系統(tǒng)發(fā)生了共振，使得大橋劇烈晃動直至崩塌。

二、流固耦合求解方法

流固耦合問題分析根據(jù)流體域和固體域之間物理場耦合程度的不同，可分為強耦合和弱耦合，對應的求解方法分別為直接解法和分離解法。直接解法通過將流場和結構場的控制方程耦合到同一方程矩陣中求解，即在同一求解器中同時求解流固控制方程，理論上非常先進，適用于大固體變形、生物隔膜運動等。但在實際應用中，直接法很難將現(xiàn)有的計算流體動力學和計算固體力學技術真正結合到一起。

另外，考慮到同步求解的收斂難度以及耗時問題，直接解法目前主要應用于模擬分析熱-結構耦合和電磁-結構耦合等簡單問題中，對于流體-結構耦合只進行了一些非常簡單的研究，還難以應用在實際工程問題中。而弱流固耦合的分離解法是分別求解流體和固體的控制方程，通過流固耦合交界面進行數(shù)據(jù)傳遞。該方法對計算機性能的需求大幅降低，可用來求解實際的大規(guī)模問題。

目前的商業(yè)軟件中，流固耦合分析基本都采用分離解法。ANSYS很早便開始進行流固耦合的研究和應用，目前ANSYS中的流固耦合分析算法和功能已相當成熟，可以通過或者不通過第三方軟件(如MPCCI)實現(xiàn)ANSYS Mechanical APDL + CFX、ANSYS Mechanical APDL + FLUENT、ANSYS Mechanical + CFX 的流固耦合分析。

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